張弛　潘治國(guó)

摘 要：獨(dú)居老人生活的安全問(wèn)題是一個(gè)越來(lái)越嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，家中安全隱患最嚴(yán)重的就是廚——忘記關(guān)火、燃?xì)庑孤?、失火等?wèn)題讓年輕一代很不放心。設(shè)計(jì)了一種廚房智能安全監(jiān)視器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視廚房燃?xì)馐欠裥孤?，尤其可以監(jiān)視燃?xì)庠钌鲜欠裼绣佁幱诟蔁隣顟B(tài)，可以在出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)報(bào)警并關(guān)閉燃?xì)?；同時(shí)還設(shè)計(jì)了操作十分簡(jiǎn)便的3個(gè)鬧鐘，顯示清晰明了，非常適合老年人家庭使用，也適合中等餐廳的廚房使用；設(shè)計(jì)了藍(lán)牙功能，可以方便地在智能手機(jī)上操作和監(jiān)視。

關(guān)鍵詞：廚房安全監(jiān)視器；紅外測(cè)溫；傳感器；編碼開(kāi)關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP722.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.079

現(xiàn)代社會(huì)，許多家庭常常只有老年人在家生活，年輕一代由于忙于工作，只能在周末或更長(zhǎng)時(shí)間后才能回家陪陪老人，老人在家生活的安全問(wèn)題成了社會(huì)問(wèn)題。我們經(jīng)常在電視或網(wǎng)絡(luò)新聞中看到，家中老人獨(dú)自生活，忘記關(guān)火，結(jié)果因失火而造成財(cái)產(chǎn)損失或人身安全事故。顯然，家中安全隱患最嚴(yán)重的就是廚房——忘記關(guān)火、燃?xì)庑孤?、失火等，這些問(wèn)題讓晚輩們很不放心。老年人家庭迫切需要一個(gè)廚房監(jiān)視設(shè)備。另外，因烹飪需要，經(jīng)常需要鬧鐘。但是市場(chǎng)上銷(xiāo)售的鬧鐘一般都只能設(shè)置一個(gè)定時(shí)時(shí)間，當(dāng)有多個(gè)菜在烹調(diào)并且需要計(jì)時(shí)時(shí)，這些就無(wú)法滿(mǎn)足需要了。雖然手機(jī)的鬧鐘功能支持多個(gè)鬧鐘時(shí)間，但操作復(fù)雜，還需要計(jì)算預(yù)設(shè)時(shí)間與當(dāng)下時(shí)間的差值。而且手機(jī)是一個(gè)比較嬌貴的高檔設(shè)備，廚房工作人員手上不是水就是油，在廚房操作手機(jī)也非常不合適。對(duì)老年人來(lái)說(shuō)，能使用手機(jī)打電話(huà)就已經(jīng)很不錯(cuò)了，絕大多數(shù)老年人都不會(huì)使用智能手機(jī)的其他功能，而且老年人記憶力不好，常常在客廳休息就忘了廚房還有沒(méi)有關(guān)火的壓力鍋等。這就造成了廚房安全隱患，所以老年人尤其需要操作簡(jiǎn)單的廚房安全監(jiān)視器。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能廚房安全監(jiān)視器，具有紅外測(cè)溫功能，可以方便地檢測(cè)灶上各種鍋的溫度，并判斷是否干燒。如果干燒則發(fā)出報(bào)警，有燃?xì)庑孤﹫?bào)警功能，有操作非常簡(jiǎn)單的鬧鐘功能。報(bào)警信息可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式報(bào)告給智能手機(jī)，甚至后輩們還可以通過(guò)智能手機(jī)查看廚房的鬧鐘、溫度、燃?xì)庑孤┣闆r。

1 方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)視器由單片機(jī)、紅外溫度傳感器、可燃性氣體傳感器、液晶顯示屏、編碼開(kāi)關(guān)、藍(lán)牙連接模塊和WiFi連接模塊、繼電器等組成。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)鍋體表面的溫度，判斷鍋體是否處于干燒狀態(tài)，同時(shí)檢測(cè)可燃性氣體濃度是否超標(biāo)。當(dāng)檢測(cè)到鍋體干燒或可燃性氣體超標(biāo)時(shí)，單片機(jī)將顯示報(bào)警信息，同時(shí)切斷繼電器關(guān)閉氣源，通過(guò)藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送信息，手機(jī)將顯示相應(yīng)的報(bào)警信息。為了提高監(jiān)視器的適用性，同時(shí)利用液晶顯示

和旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了3個(gè)鬧鐘，用戶(hù)可以非常方便地設(shè)置和使用鬧鐘功能。通過(guò)手機(jī)監(jiān)控軟件，可以在手機(jī)上查看監(jiān)視器的全部狀態(tài)，并設(shè)置鬧鐘。圖1為廚房安全監(jiān)視器原理。

采用紅外溫度傳感器MLX90614AAA，它是一種紅外測(cè)溫傳感器，與接觸式的溫度傳感器不同，它可以遠(yuǎn)程測(cè)量鍋體表面的溫度。在出廠前，傳感器這一模塊已進(jìn)行校驗(yàn)及線(xiàn)性化，具有非接觸、體積小、精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。被測(cè)目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度都能通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸出，可以直接與單片機(jī)接口。為了方便地將傳感器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)鍋體，采用金屬軟管將溫度傳感器連接在儀器外殼上，這樣在使用時(shí)只需要簡(jiǎn)單調(diào)整軟管，讓溫度傳感器對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱的鍋就可以了。由于溫度傳感器的測(cè)溫區(qū)域是一個(gè)扇形區(qū)域，所以對(duì)準(zhǔn)的角度允許有較大的范圍，大致對(duì)準(zhǔn)就行了。這就大大提高了設(shè)備的易用性。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，炒菜時(shí)，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度會(huì)慢慢上升，但如果鍋內(nèi)有水分，溫度會(huì)在110 ℃以下，人們?cè)诓僮鲿r(shí)也不會(huì)讓溫度升得太高。而水分燒干后，如果不人為關(guān)火降溫，溫度會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù)升高，直到燒紅甚至起火。

鬧鐘功能：廚房燉、煮菜時(shí)經(jīng)常要使用鬧鐘，這也是防止長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)灶具后發(fā)生危險(xiǎn)的效措施之一。本監(jiān)視器采用旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)、液晶顯示屏和單片機(jī)設(shè)計(jì)了3個(gè)鬧鐘，可以滿(mǎn)足大多數(shù)廚房的要求，而且由于采用了旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)作為輸入方式，鬧鐘的設(shè)置非常簡(jiǎn)單，即旋轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)置時(shí)間，按下時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉鬧鐘。

采用STC15F2K60S2單片機(jī)，與8051單片機(jī)兼容，但速度更快，功能更強(qiáng)。

本系統(tǒng)中USB接口主要用于下載與調(diào)試程序。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

主要功能模塊有溫度測(cè)量與干燒判斷模塊、顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)間模塊、溫度和可燃性氣體監(jiān)測(cè)模塊、藍(lán)牙功能模塊等。主程序負(fù)責(zé)對(duì)上述功能模塊采用輪詢(xún)方式進(jìn)行合理的調(diào)用。主程序流程如圖2所示。

2.1 溫度測(cè)量與干燒判斷

從MLX90614AAA讀出的數(shù)據(jù)由高8位（DataH）和低8位（DataL）兩部分組成，其中RAM地址07H單元存儲(chǔ)的是TOBJ1數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍從0x27AD到0x7FFF，以絕對(duì)溫度（K）為單位，一個(gè)單位數(shù)值表示0.02 K，總的溫度表示范圍為-70.01～382.19 ℃。從傳感器中讀出的數(shù)據(jù)（DataH：DataL）換算為溫度數(shù)據(jù)（單位為“℃”）如以下公式所示：

T=（DataH：DataL）×0.02-273.15. （1）

軟件由2個(gè)函數(shù)組成。uint MEM_READ（uchar slave_addR，uchar cmdR）讀取傳感器內(nèi)部的RAM數(shù)據(jù)，在傳感器的RAM中，地址06存貯有環(huán)境溫度值，07H存貯有目標(biāo)溫度值；void CALTEMP（uint TEMP）溫度轉(zhuǎn)換，將TEMP的數(shù)據(jù)按式（1）轉(zhuǎn)換成溫度，用于判斷和顯示。根據(jù)試驗(yàn)，我們將在連續(xù)10 s超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)判定為超溫。

本文采用“讀取3次取中間值”的方法對(duì)溫度值濾波，以可靠、穩(wěn)定地讀取溫度值。

2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

利用H1302芯片加后備紐扣電池產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間，芯片與單片機(jī)之間通過(guò)SPI口連接，單片機(jī)可以通過(guò)SPI口修改和讀取當(dāng)前時(shí)間。

主要C語(yǔ)言函數(shù)：

2.3 定時(shí)器處理

由于單片機(jī)的定時(shí)器在長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)時(shí)可能會(huì)由于晶振誤差而產(chǎn)生較大偏差，所以我們采用了H1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘專(zhuān)用的芯片計(jì)時(shí)，它的精度很高，一個(gè)月內(nèi)的誤差小于10 s。

用單片機(jī)中的定時(shí)器每秒鐘產(chǎn)生中斷，在中斷函數(shù)中通知主程序讀取當(dāng)前的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并根據(jù)每個(gè)定時(shí)器的狀態(tài)，計(jì)算處于打開(kāi)狀態(tài)的定時(shí)器的剩余時(shí)間或者超時(shí)時(shí)間，并顯示出來(lái)。

編寫(xiě)的主要C語(yǔ)言函數(shù)：

void Timer1Init（）interrupt 3 using 1：定時(shí)器1的中斷處理函數(shù)，定時(shí)器被設(shè)置成0.5 ms中斷一次，在中斷程序中將變量SysTime加1，加2 000次后就正好是1 s了，再將秒標(biāo)志bsec置1.另外，旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)也在本程序中進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)每隔0.5 ms檢查一次。如果連續(xù)檢測(cè)到2次相同的狀態(tài)，則被認(rèn)為是一個(gè)可靠的狀態(tài)。以可靠狀態(tài)為基礎(chǔ)，檢測(cè)到信號(hào)A的一個(gè)上升沿則認(rèn)為是一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，再根據(jù)B相的高低電平狀態(tài)判斷旋轉(zhuǎn)方向。

void TimeOP（）：在主程序中每秒鐘執(zhí)行一次，判斷定時(shí)器的狀態(tài)并處理顯示的內(nèi)容。定時(shí)器的運(yùn)行采用有限狀態(tài)機(jī)編程，定時(shí)器總是工作在4種狀態(tài)，即關(guān)閉（狀態(tài)0）、運(yùn)行（狀態(tài)1）、報(bào)警（狀態(tài)2）、停止（狀態(tài)3）。關(guān)閉狀態(tài)下，顯示器顯示“關(guān)”，定時(shí)器不計(jì)時(shí)，按下對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)表示定時(shí)器計(jì)時(shí)還沒(méi)有到預(yù)設(shè)的時(shí)間，顯示器會(huì)顯示剩余的時(shí)間。當(dāng)剩余時(shí)間大于1 min時(shí)，以“分鐘”為單位；小于1 min時(shí)，以“秒”為單位。當(dāng)時(shí)間到了后自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)2，或者按下對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)后轉(zhuǎn)入“停止?fàn)顟B(tài)”。報(bào)警狀態(tài)表示定時(shí)秒器預(yù)設(shè)的時(shí)間已經(jīng)到了，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警，顯示器顯示鬧鈴符號(hào)，同時(shí)顯示超時(shí)時(shí)間（以“秒”為單位），30 s后自動(dòng)轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)。在停止?fàn)顟B(tài)下，顯示器保持原來(lái)的顯示不變——顯示“超時(shí)30 s”及鬧鈴符號(hào)，但蜂鳴器停止發(fā)出聲音，與關(guān)閉狀態(tài)的顯示不同，以提醒用戶(hù)這個(gè)定時(shí)器時(shí)間到了，但用戶(hù)沒(méi)有理會(huì)它，按下對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)后進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。

2.4 藍(lán)牙功能

在家庭使用時(shí)，常常是廚房里有食物在燉，人卻在客廳短暫休息。為了適用于這種情況，本監(jiān)視器設(shè)計(jì)了藍(lán)牙及WiFi功能，配合手機(jī)APP軟件，就可以在智能手機(jī)上查看監(jiān)視狀態(tài)，并設(shè)置定時(shí)器的時(shí)間與開(kāi)關(guān)。以藍(lán)牙為例，本文采用藍(lán)牙轉(zhuǎn)串行口的模塊，它可以解析藍(lán)牙協(xié)議，并在連接成功后成為一個(gè)串行口，這樣單片機(jī)就可以用串行口來(lái)操作藍(lán)牙功能了。本手機(jī)軟件定義了5 個(gè)指示燈，其中3個(gè)用來(lái)指示定時(shí)器的狀態(tài)，另外2個(gè)用于溫度報(bào)警及可燃性氣體濃度報(bào)警；定義了6個(gè)按鍵，分別是定時(shí)器1～3的開(kāi)關(guān)、溫度報(bào)警復(fù)位及狀態(tài)讀取。3個(gè)進(jìn)度條用于設(shè)置鬧鐘時(shí)間。

3 實(shí)施與測(cè)試

為了檢測(cè)鍋體的干燒狀態(tài)，試驗(yàn)了常用的炒菜鍋、高壓鍋、普通不銹鋼水鍋等。鍋體溫度的檢測(cè)與傳感器對(duì)著的位置有關(guān)——當(dāng)傳感器正對(duì)著火焰與鍋底的接口部及以下時(shí)，溫度會(huì)高達(dá)260 ℃以上；但如果稍向上，傳感器正對(duì)著鍋體時(shí)，溫度在非干燒狀態(tài)下不會(huì)超過(guò)110 ℃，鍋內(nèi)的水燒干后，則溫度開(kāi)始上升，到260 ℃時(shí)，鍋已經(jīng)有點(diǎn)發(fā)紅了。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本儀器將干燒溫度設(shè)置在160 ℃時(shí)可以很可靠地檢測(cè)到干燒，且此時(shí)燃?xì)庠钐幱诎踩紵隣顟B(tài)。所以在本儀器的程序中將溫度報(bào)警的默認(rèn)值設(shè)置在160 ℃。為了適應(yīng)其他場(chǎng)合的需要（比如化學(xué)實(shí)驗(yàn)室），報(bào)警溫度也設(shè)計(jì)成了用戶(hù)可以在0～255 ℃之間任意調(diào)整，但重新開(kāi)機(jī)后又恢復(fù)160 ℃的默認(rèn)值。

現(xiàn)在的燃?xì)庠疃加小盎鹧嫦缱詣?dòng)斷氣”功能，燃?xì)庠顑?nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)有一個(gè)電磁閥來(lái)切斷燃?xì)?，我們將安全監(jiān)視器的輸出繼電器串聯(lián)在燃?xì)庠畹碾姶砰y線(xiàn)圈電路中，這樣在干燒時(shí)，就自動(dòng)切斷了氣源。

為了提高儀器的適用性，以后的改進(jìn)中還可以增加攝像頭，這樣就可以在辦公室里看到廚房的情況。這樣，兒女們就可以在辦公室里看到年老的爸爸媽媽在廚房里的情況，讓人更加放心。

參考文獻(xiàn)

[1]李靜，裘祖榮，齊永利.MLX90614系列紅外測(cè)溫模塊的原理及應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2006（1）.

〔編輯：劉曉芳〕